МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ЭКЗАМЕН

Сдавался/использовался	июнь, 2012
	Загрузить архив:
	Файл: METALLOVEDENIE_EKZAMEN.doc (425kb [doc], Скачиваний: 1) скачать

№ 1.Ал лотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при различных температурах. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным)превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа а, бета ?, гамма у, дельта б и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре. В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, например железо, марганец, олово, титан и др. №2. Феррит — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в а-железе. Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода в пределах 0,006 % при нормальной температуре, 0,025 % при 727°С и высокотемпературный б-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Феррит имеет кристаллическую решетку ОЦК, в центре которой расположен атом углерода. Температура 768 °С является точкой Кюри для феррита, то есть ниже этой температуры феррит магнитен, а выше — немагнитен. Феррит имеет пример¬но следующие механические свойства: сгв = 25 Н/см2; 6 = = 50%; -ф = 80 %; НВ 80.. .90. Под микроскопом феррит виден в виде светлых (полиэдрических) зерен. Аустенит — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в у-железе. В зависимости от температуры в у-железе может раствориться от 0,8 (при 727°С) до 2,14% С (при 1147°С). Аустенит имеет кристаллическую решетку ГЦК, атомы углерода в которой расположены в центре граней куба. Твердость аустенита составляет до 220 НВ, он немагнитен. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна, характеризующиеся в отличие от феррита двойниками. К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основ¬ными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод. Железо может находиться в двух аллотропических формах – и . Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, -железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в -железе называется ферритом. Структура феррита показана на рис. 28, а. Феррит имеет низкую твер¬дость и прочность: 80 НВ; в=250 МПа (25 кгс/мм2) и высо¬кую пластичность и вязкость ( = 50 %; = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластич¬нее. В значительно больших коли¬чествах растворяет углерод -железо (до 2,14 % при температуре 1147 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в -железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 28, б). Аустенит пластичен = 40 – 50 %, а твердость его составляет 160 – 200 НВ. Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (более 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цемен¬тита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом ис-следовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 28, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита. №3. Феррит (лат. ferrum — железо), фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в -железе (-феррит). Имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решётку. Является фазовой составляющей других структур, например, перлита, состоящего из феррита и цементита. При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в -железе (-феррит), который можно рассматривать как высокотемпературный феррит. Растворимость углерода в -феррите 0,02–0,03 % (по массе) при 723 °C, а при комнатной температуре 106–107 %; в -феррите — 0,1 %. Растворимость легирующих элементов может быть весьма значительной или неограниченной. Легирование феррита в большинстве случаев приводит к его упрочнению. Нелегированный феррит относительно мягок,пластичен, сильно ферромагнитен до 768–770 °С. №4. АУСТЕНИТ (от имени английского металлурга У. Робертса-Остена, W. Roberts-Аusten; 1843-1902), структурная составляющая железоуглеродистых сплавов — твердый раствор углерода (до 2%), а также легирующих элементов в железе. Аустенит пластичен, его твердость НВ 160-200 кгс/мм2. Парамагнетик, проводит тепло и электрический ток хуже, чем феррит. Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центре элементарных гексагональных кубических ячеек, т. е. образуется твердый раствор углерода в g-железе. Растворимость углерода в аустените зависит от температуры, максимальна при Т = 1147 оС и составляет 2,14%, т. е. выше, чем в феррите. Ограничение растворимости углерода вызвано тем, что атом углерода больше размера поры в центре ячейки g-железа, и при внедрении углерода решетка искажается, и соседние поры становятся недоступными для других атомов углерода. Область существования аустенита — при температурах выше 727оС. При комнатной температуре он иногда сохраняется только в закаленной стали, так как в процессе охлаждения стали аустенит превращается в другие структурные составляющие. Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада. Например, в стали с содержанием углерода 0,8% могут происходить следующие фазовые превращения. При медленном охлаждении (в печи) при температурах вблизи 700оС (т. е. при достаточно высоких температурах и малых степенях переохлаждения) аустенит превращается в перлит – достаточно грубую смесь феррита и цементита. Легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают продолжительность инкубационного периода перлитного превращения. При более низких температурах, и следовательно при больших степенях переохлаждения, дисперсность структур возрастает, т. е. при ускоренном охлаждении (на воздухе) распад аустенита произойдет при температурах (650оС) и образуетсясорбит. При еще более низкой температуре, т. е. при большей скорости охлаждения (в масле) распад аустенита произойдет при температурах (550оС) и образуется троостит. Перлит, сорбит и троостит представляют собой структуру с одинаковой природой (смеси феррита и цементита), но отличающейся степенью дисперсности феррита и цементита. При высокой скорости охлаждении в воде аустенит превращается в мартенсит. При перлитном превращении легированного аустенита во многих случаях образуется смесь феррита и специальных карбидов. № 5. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита. В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях: — цементит первичный (выделяется из жидкости), — цементит вторичный (выделяется из аустенита), — цементит третичный (из феррита), — цементит эвтектический и — эвтектоидный цементит. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п. №7. В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит. В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит). №8. Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит, входя¬щий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой темпе¬ратуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна. №9. ПЕРЛИТ – структурная составляющая в углеродистых и легированных сталях и чугунах, возникающая при эвтектоидном превращении (смМЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ) согласно диаграмме состояния железо – углерод. Перлит состоит из двух фаз – феррита и цементита, феррит – железо с очень малым количеством углерода (до 0,03%), а цементит – химическое соединение Fe3C, содержащее по массе 6,67%С. Среднее содержание углерода в перлите – 0,8%С, а сталь с целиком перлитной структурой, содержащая 0,8% углерода, называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% сталь состоит из перлита и феррита, если углерода более 0,8% – из перлита и, в соответствии с диаграммой состояния железо – углерод. №10. Перлит обычно имеет пластинчатую структуру, каждое зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита шириной в десятые доли мкм. Длина пластинок соответствует размеру зерен металла, и пластинки идут от одной границы зерна к другой. Если такая объемная пластинчатая структура пересекается плоскостью шлифа и подвергается травлению, то на ее поверхности возникает полосчатая структура из светлых полосок феррита и тонких полосок цементита. При различных термообработках ширина полосок (межпластиночное расстояние) может быть различным, ширина полосок цементита в 7 раз меньше, чем полосок феррита. При длительной выдержке при высоких температурах зерна феррита и цементита могут переходить из пластинчатой формы в округлую, и на металлографическом шлифе наблюдаются мелкие, темные, округлые зерна цементита на фоне крупных зерен феррита. Механическая смесь феррита и цементита обр-азует структуру стали, называемую перлитом. Перлит бывает двух видов: пластинчатый, или полосчатый, и зернистый. Пластинчатый перлит i меет вид перемежающихся очень мелких пластинок феррита и цементита. Путем нагрева до определенных температур можно изменить строение пластинчатого перлита и получить так называемый зернистый перлит, в котором цементит находится в виде круглых зерен, расположенных среди феррита. Эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся из аустенита. Микроструктуры углеродистых ста - На 110, а - - сталь. Перлит - механическая смесь феррита с цементитом - образуется при медленном охлаждении аустенита, содержащего 0 8 % С. Перлит прочнее феррита, но мало пластичен при комнатной температуре. Стали, содержащие 0 80 % С, называются эвтектоидными или перлитными. При меньшем содержании углерода стали называются доэвтектоидными, при большем, - заэвтектоид-ными. Микроструктура стали в равновесном состоянии. а - ферритная, б - ферритно-цементитная, в - ферритно-перлитная, г-пе лишая, д - перлитно-цементитная. 1 - феррит, 2 - цементит, 3 - перлит. Перлит - механическая смесь феррита с цементитом. За счет упрочняющего влияния цементита перлит имеет более высокую прочность и твердость, чем феррит, но более низкую ударную вязкость и пластичность. Тростит - механическая смесь феррита и цементита; получается при скорости закалки углеродистой стали около 80 С в секунду. Перлит - механическая смесь феррита и цементита, называемая эвтектоидом. Чистый перлит встречается только в стали, содержащей 0 8 % С. Обычно перлит присутствует вместе с ферритом или цементитом. Эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся из аустенита. Различают пластинчатый перлит, в котором в ферритной основе находятся пластинки цементита ( фиг 4, к; и и) и зернистый перлит, R котором в ферритной основе находятся зернышки цементита. Перлит - мелкозернистая механическая смесь феррита и цементита. На микрошлифе имеет вид зерен или параллельно расположенных пластинок, поэтому различают перлит зернистый или пластинчатый. Перлит - мелкозернистая механическая смесь феррита и цементита. Трооститом называется механическая смесь феррита цементита очень высокой степени дисперсности. Эта структура образуется при скорости закалки углеродистой стали около 80 / сек. Игольчатый троостит иногда называют бейнитом. Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Сталь, содержащая 0 80 % С, имеет чисто перлитную структуру. Троостит является механической смесью феррита и цементита очень высокой степени дисперсности. Эта структура образуется при скорости закалки углеродистой стали около 80 град / сек. Игольчатый троостит иногда называют бейнитом. Перлит - это механическая смесь феррита и цементита. Перлит - это механическая смесь феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Сталь, содержащая 0 80 % С, имеет чисто перлитную структуру. Перлит - это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0 8 % углерода, образуется из аустенита при температуре 727 С. Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Возможно и зернистое строение перлита, когда он состоит из зерен цементита, окруженных ферритом. Зернистый перлит значительнее пластичнее пластинчатого, имеет меньшую твердость. Схема возникновения и роста перлитного зерна. Все они являются механическими смесями феррита и цементита и отличаются лишь размерами пластинок феррита и цементита. Перлит П - это механическая смесь феррита с цементитом. Перлит содержит 0 8 % углерода, обладает высокими прочностью и упругостью, пластичность его не очень высокая. Перлит ( П) - тесная механическая смесь феррита и цементита, которую называют эвтектоидной смесью. Перлит содержит 0 83 % углерода, обладает высокой прочностью и упругостью, но незначительной вязкостью. Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит, сорбит, троостит ] представляют собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит представляет собой 6oj: ее или менее грубую механическую смесь феррита и цементита. Перлит образуется при малых скоростях охлаждения стали, нагретой до аустенитного состояния. С 0 1 3 - 0 83 % превращаются в механическую смесь феррита и перлита. При С0 83 % аустенит стали превращается в чистый перлит, а при С 0 83 % сталь превращается в механическую смесь перлита и цементита. Схемы диаграмм изотермического превращения переохлажденного аустенита.| Схемы феррито-цементитных структур. а - г перлит. б - сорбит. в - троостит. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы - механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. Перлит ( П) - эвтектоид системы Fe - Fe3C - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0 8 % углерода. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - - перлит. Внешне зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Если степень переохлаждения аустенита невелика, то он полностью распадается на механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности. Влияние содержания кислорода на механические свойства малоуглеродистой стали. После достижения температуры 592 С, отвечающей точке Ах, нитроаустенит-эвтектоид распадается на механическую смесь феррита и нитрида железа. Схема для определе - должен бЫТЬ Таким, ЧТОбы при 6ГО СНЯ. Например, у отливок из серого чугуна поверхностный слой состоит из перлитной корки ( механическая смесь феррита и цементита), наружная зона которого нередко имеет следы формовочного песка. Этот слой должен быть полностью удален на первом переходе для последующей нормальной работы инструмента. Сфероидизации и графитизации перлита подвержены только стали перлитного класса, у которых структурная составляющая представляет собой механическую смесь феррита к перлита. Стали аустенит-ного класса обладают большей стабильностью структуры при температурах от 500 С и выше. Однако эти стали по сравнению со сталями перлитного класса значительно дороже, имеют пониженную пластичность при комнатных температурах, повышенную вязкость и высокий коэффициент линейного расширения, вызывающий при нагреве внутренние напряжения. Сфероидизации и графитизации перлита подвержены только стали перлитного класса, у которых структурная составляющая представляет собой механическую смесь феррита и перлита. Сфероидизации и графитизации перлита подвержены только стали перлитного класса, у которых структурная составляющая представляет собой механическую смесь феррита и перлита. Стали аустенит-ного класса обладают большей стабильностью структуры при температурах от 500 С и выше. Однако эти стали по сравнению со сталями перлитного класса значительно дороже, имеют пониженную пластичность при комнатных температурах, повышенную вязкость и высокий коэффициент линейного расширения, вызывающий при нагреве внутренние напряжения. Таким образом, можно сделать вывод, что структуры перлита, сорбита и троостита являются механической смесью феррита и цементита и отличаются одна от другой только степенью дисперсности пластинок цементита. При охлаждении стали на воздухе со скоростью 40 - 80 С в 1 сек получается также механическая смесь феррита и цементита. Однако в этом случае цементит находится в более крупных частицах. Такая смесь имеет наименование сорбит. При нагреве до 200 - 300 в стали протекает второе превращение: остаточный аустенит распадается на механическую смесь феррита и цементита. При содержании углерода более 0 025 % в стали наряду с ферритом наблюдается вторая структурная составляющая - перлит, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит прочнее и тверже феррита. Структура углеродистых сталей определяется тремя составляющими ( фазами): ферритом - твердый раствор углерода в а-железе, цементитом - - карбиджелева Fe3C и перлитом - механическая смесь феррита и. Структура углеродистых сталей определяется тремя составляющими ( фазами): ферритом - твердый раствор углерода в а-железе, цементитом - карбид железа Fe3C и перлитом - механическая смесь феррита и цементита. При нагреве до 200 - 300 С в стали протекает второе пре - j вращение: распад второй структурной составляющей закаленной стали - остаточного аустенита на механическую смесь феррита и цементита. Сталь после изотермического превращения при 700 С - пластинчатый перлит ( х500. травление 4 % - ным спиртовым раствором азотной кислоты.| Сталь после изотермического превращения при 650 С - сорбит ( х500. травление 4 % - ным спиртовым раствором азотной кислоты. Таким образом, сорбит отпуска является продуктом распада мартенсита. Он представляет собой механическую смесь феррита и округлых зерен цементита, но более грубого строения, чем троостит. Иногда сорбит сохраняет форму игл мартенсита, из которого он был получен в результате отпуска закаленной стали. В этом случае при обычных увеличениях сорбит отпуска трудно отличить от мартенсита. Он представляет собой механическую смесь феррита и цементита, отличающуюся от перлита большой дисперсностью составляющих и более высокой твердостью. Сорбит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, более дисперсную, чем перлит. Еще более тонкое строение отличает тро-остит. Перлит по сравнению с нелегированным ферритом обладает большей эрозионной прочностью. Поскольку перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, то его свойства, а следовательно, и сопротивление разрушению зависят от свойств этих составляющих, их дисперсности и формы. Глобулярная форма уменьшает поверхность карбидной фазы, поэтому ее участие в сопротивлении разрушению резко снижается. Эвтектоидная сталь с 0 8 % С - перлит ( хЮОО. травление 4 % - ным спиртовым раствором азотной кислоты. На рис. 15.4 дана микроструктура перлита. Перлит - это эв-тектоид - механическая смесь феррита и цементита, получающаяся в результате распада аустенита с 0 8 % С. После травления 4 % - ной азотной кислотой в спирте на шлифе получается микрорельеф. Эвтектоидная сталь с 0 8 % С - перлит. а - микроструктура ( Х500. б-схема микроструктуры. На рис. 14.4 дана микроструктура перлита. Перлит - это эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, получающаяся в результате распада аустенита с 0 8 % С. Эвтектоидная линия P S K ( 733 С) соответствует равновесию трех фаз: графита, аустенита ( состава S) и феррита. При температуре 733 С аустенит распадается с образованием механической смеси феррита и графита, называемой графитным эвтектоидом в отличие от метастабильного эвтектонда - перлита. №13 Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пластинчатое строение не редко сочетается в пределах одной эвтектической колонии. Заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD , когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита, концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 11470С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3 %С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита и ледебурита. Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14 % С - чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали, после затвердевания, не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита - и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и пониженных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами. По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими и температурами плавления, имеет меньшую усадку, это объясняет присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита). №14Перлит (от фр. perle - жемчужина) — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собойэвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированныхсталях — карбидов). Перлит — продукт эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом -железо переходит в -железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита, то есть участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита (карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят в первую очередь от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладноломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом. = 20%, НВ 160.в = 630 МПа, = 15%, НВ 220; сталь с зернистым перлитом в = 820 МПа, С. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и составляет 0,8%. В равновесии перлит имеет пластинчатое строение (см. микроструктуру). В результате термообработки можно получить перлит зернистый, но такая структура будет неравновесной. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности частичек цементита и формы цементита. Сталь со структурой пластинчатого перлита имеет такие свойства: Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Перлит образуется из аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 727 №15Углеродистая сталь - сталь, не содержащая легирующих компонентов. В зависимости от содержания углеродауглеродистую сталь подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) ивысокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают углеродистую сталь обыкновенного качества и качественную конструкционную. К 1-й группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во 2-ю входят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка. Углеродистую сталь выплавляют в мартеновских, двухванных, дуговых печах и кислородных конвертерах. Дляраскисления углеродистой стали используют ферромарганец, ферросилиций, феррованадий, алюминий, титан и др.; по степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную углеродистую сталь. Для улучшения физико-химических и технологических свойств применяют микролегирование углеродистой стали титаном, цирконием, бором,редкоземельными элементами. В результате микролегирования сталь приобретает мелкозернистую структуру, уменьшается степень зональной ликвации, снижаются загрязнённость стали неметаллическими включениями и склонность к образованию трещин при горячей пластической деформации, повышается ударная вязкость при отрицательных температурах, что даёт возможность применять углеродистую сталь в различных климатических зонах (от — 40 до 60 °С). Углеродистую сталь разливают на слитки (сверху, сифоном) и заготовки (на машинах непрерывного литья); масса слитков достигает 35 т. Кроме того, углеродистая сталь используется для получения стальных отливок. Литая углеродистая сталь отличается от деформируемой стали подобного состава несколько меньшими пластичностью иударной вязкостью. Углеродистая сталь — наиболее распространённый вид чёрных металлов. №18Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, в которой неизбежно будут находиться и другие примеси в виде различных элементов и их соединений. Металлы и их сплавы в отличие от неметаллов обладают характерным блеском, непрозрачностью, высокими тепло- и электропроводностью, прочностью и вязкостью. При комнатной температуре большинство металлов находится в твердом состоянии. Принято делить металлы и сплавы на черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы с углеродом и другими элементами - сталь и чугун. К цветным металлам относят медь, алюминий, цинк, свинец, олово, титан и их сплавы. Чистые металлы применяют в технике сравнительно редко. Наиболее широко используют сплавы. Сплавы представляют собой сочетание различных металлов, а также металлов с неметаллами. Углеродистая сталь, из которой изготовляют основную массу проволоки, не содержит специальных добавок, но всегда имеет небольшое количество неизбежных примесей. Кроме того, она может содержать небольшое количество никеля, хрома, меди и других элементов. Примеси попадают в сталь из руды, лома, топлива и раскислителей, применяемых при выплавке стали. Конструкционная углеродистая сталь содержит от 0,05 до 0,75 % С. В зависимости от содержания углерода стали присваивают определенную марку. Инструментальная углеродистая сталь содержит от 0,60 до 1,25 % С. Марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У9, У10 и У12. Их обозначение также определяется содержанием углерода. Кроме того, широко используются высококачественные инструментальные углеродистые стали с пониженным содержанием серы и фосфора (вредных примесей). В конце обозначения таких сталей имеется еще буква А (например, У8А, У10А и др.). Автоматная сталь с содержанием углерода от 0,08 до 0,45 % отличается повышенным содержанием серы (0,08-0,3%) и фосфора (0,08-0,15%), что позволяет легче вести обработку резанием. Эта сталь используется для производства калиброванного металла. Легированная сталь содержит один или не сколько легирующих элементов (хром, никель, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт и др.), которые вводят с целью получения заданных свойств. Для удобства основные элементы, вводимые в легированную сталь, обозначают условно русскими буквами, а их количества - числами. Приняты следующие обозначения: X - хром, Н - никель, Т - титан, Г - марганец, П - фосфор, М -молибден, Д - медь, С - кремний, Ф - ванадий, Ю - алюминий, В - вольфрам, К - кобальт. Классификация сталей - По химическому составу: углеродистые и легированные Углеродистые: низкоуглеродистые – до 0,35 % С среднеуглеродистые – 0,35-0,70% С высокоуглеродистые – 0,70-2,14% С Легированные: низколегированные – до 1% легирующих элементов среднелегированные – до 12% легирующих элементов высоколегированные – до 40% легирующих элементов - По назначению: конструкционные (для деталей машин, приборы); инструментальные (для режущего инструмента, жаростойкие, жаропрочные) - По степени раскисления: спокойные СП – раскисленные Mn. Si. Al; полуспокойные ПС – промежуточные между СП и КП; кипящие КП – раскисленные Mn. - По качеству: обыкновенного качества S<0,05; P< 0,06; качественные S<0,04; P< 0,035; высококачественные S,Р < 0,025; особовысококачественные. Влияние углерода и других постоянных примесей на свойства стали С увеличением концентрации углерода в структуре стали возрастает содержание цементита. Структура доэвтектоидной стали (С < 0,8 %) состоит из феррита и перлита, заэвтектоидной (C > 0,8 %) - из перлита и цементита. Феррит имеет низкую прочность, пластичен. Цементит отличается высокой твердостью, но хрупок, поэтому с увеличением содержания углерода в стали увеличиваются ее твердость, прочность, уменьшаются вязкость и пластичность. На рисунке приведена механических свойств стали от содержания углерода. Однако увеличение прочности происходит лишь до тех пор, пока содержание углерода не достигнет 0,8...1 %. После этого в структуре стали по границам зерен перлита появляется сетка хрупкого цементита, которая легко разрушается при нагрузках. Чтобы получить зернистый перлит, устранив сетку цементита, заэвтектоидные стали подвергают отжигу. С увеличением содержания углерода ухудшаются свариваемость стали и способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Хорошо обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали (содержание С 0,3...0,4 %). Низкоуглеродистые при механической обработке дают плохую поверхность. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость и снижают стойкость инструмента. Полезные примеси - кремний и марганец - всегда присутствуют в стали, растворяются в феррите, упрочняя его. Марганец увеличивает прокаливаемость стали, уменьшает влияние серы. Кремний и марганец применяют для раскисления стали. В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn и до 0,4 % Si. Постоянные примеси, от которых зависит качество стали, - сера и фосфор. Источником этих химических элементов в стали является прежде всего чугун, из которого производят сталь в металлургических печах. Сера и фосфор — вредные примеси. Сера понижает пластичность, вязкость, придает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали и образует эвтектику Fе-FеS с tпл = 988 °С, располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации эвтектика сообщает стали хрупкость, даже плавится и образует в металле надрывы и трещины. Присутствующий в сталимарганец превращается в сульфид МnS с tпл = 1620°С, что выше температур горячей обработки, поэтому он не образует эвтектику по границам зерен. МnS снижает вязкость и пластичность, уменьшает усталостную прочность стали. Фосфор при концентрации до 1,2% растворяется в феррите, уменьшая его пластичность; сильно ликвирует. Располагаясь вблизи границ зерен, увеличивает их хрупкость при низких температурах. Это явление называется хладноломкостью. Газы, присутствующие в стали, образуют химические соединения, в свободном состоянии находятся в порах или в виде твердых растворов — в феррите. Кислород и азот дают хрупкие неметаллические включения, снижают вязкость и пластичность стали. Водород находится в твердом растворе и значительно увеличивает хрупкость стали, способствует образованию внутренних трещин в хромистых и хромоникелевых сталях (флокены). Для удаления газов применяют раскисление и вакуумирование. Влияние легирующих элементов на свойства стали Легирование выполняют для изменения механических (прочность, пластичность, вязкость), физических (электропроводность, магнитные характеристики) и химических (коррозионная стойкость) свойств стали. Легирующие элементы по-разному влияют на аллотропические превращения в железе, образование карбидов, фазовые превращения в стали. Эти элементы изменяют физические, химические, технологические и механические свойства стали и сплавов. Рассмотрим некоторое элементы. Хром Сr повышает твердость, прочность, вязкость, износостойкость, повышает коррозионную стойкость, а также пластичность, но понижает теплопроводность. Никель Ni повышает прочность, твердость, вязкость при низких температурах, прокаливаемость и коррозионную стойкость стали и при этом незначительно снижает пластичность. От содержания никеля в стали зависят ее электросопротивление и коэффициент теплового расширения. Никель — дорогой металл, поэтому в конструкционные стали его вводят вместе с хромом и другими элементами, притом в предельно минимальном количестве. Вольфрам W уменьшает отпускную хрупкость, повышает твёрдость, износостойкость, жаропрочность, понижает вязкость и способствует образованию мелкого зерна. Молибден Мо повышает твердость, прочность, прокаливаемость, обрабатываемость резанием, жаропрочность, способствует образованию мелкозернистой структуры, улучшает свариваемость и механические свойства стали после цементации, уменьшает вязкость и отпускную хрупкость стали. Кремний Si при содержании 0,8 % и больше значительно повышает твердость, прочность, упругость и одновременно снижает вязкость стали. Сталь с содержанием кремния 0,8... 1,2 % применяют при строительстве мостов и других сооружений, с содержанием кремния 1,5...2 % —для изготовления пружин и рессор, 1...4 % -трансформаторов и динамомашин. Марганец Мn при содержании в стали 1 % и больше повышает ее прочность и твердость, но снижает вязкость, увеличивает прокаливаемость, износостойкость и улучшает свариваемость стали. Ванадий V повышает твердость, прочность, вязкость, устойчивость против динамических напряжений и износа, уменьшает отпускную хрупкость, измельчает структуру и повышает устойчивость против перегрева при закалке. Титан Тi повышает твердость, прочность, износостойкость, но снижает прокаливаемость стали. Улучшает свариваемость нержавеющих сталей, снижает ликвацию. №19К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %. Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод. Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910° С, железо существует в -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует -железо с гранецентрированной кубической решеткой. Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц), Феррит - твердый раствор внедрения углерода в -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB == 790 МПа) и прочность (6 = 245 МПа), высокие пластичность ( = 50 %, = 85 %) и ударная вязкость (KCU == 2940 кДж/м2). Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в -железе, при нор-мальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует. Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность. Согласно фазовой диаграмме "железо - цементит" (рис. 1а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз – феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует 15 процентов цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости. Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме "железо - цементит" (рис.16). По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные. Эвтектоидная сталь содержит 0, 8% С и имеет перлитную структуру (рис.2б). Перлит –эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8% С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из перемежающих пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 2б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона. Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 2а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные (штрихованные) участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита. Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8%). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита и структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88% ферритной фазы и 12% цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости. Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали. №20Микроструктуру сплавов изучают под микроскопом при различных увеличениях на хорошо приготовленных шлифах. Для выявлениямикроструктуры сплавов применяют следующие методы: химическое травление, электролитическое травление, магнитный метод, тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное травление, усиление рельефа микроструктуры после объёмных превращений. Для выявлениямикроструктуры используют специально подобранные кислоты и щёлочи различной концентрации, растворы различных солей и их смеси, различные составы электролитов, нагревание до различной температуры на воздухе или в специальной среде газов и паров, нагревание до определённых температур при пропускании электрического тока. На поверхности шлифа происходит растворение одних фаз, окисление и окрашивание других. В результате на шлифе под микроскопом можно увидеть очертания зёрен и различных фаз, определить их взаимное расположение; по цвету, форме и размерам определить присутствующие в сплаве фазы, то есть выявить микроструктуру сплава. К прямым методам исследования структурного состояния вещества относятсяоптическая металлография, электронная микроскопия, рентгеновский анализ и др. Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы. Оптическим микроскопом можно исследовать и фотографировать детали микроструктуры, размеры которых не превышают 0,4-0,6 мкм. Полученное изображение микроструктуры можно увеличивать, но новые детали структуры при этом не выявляются. Для того чтобы более глубоко и подробно изучить строение мелкодисперсных структур и границ зерен, блочное строение и дислокационную структуру, применяют метод электронной микроскопии. Применение метода рентгеноструктурного анализа позволяет определить степень совершенства кристаллов, их ориентировку, глубоко изучить структурные изменения. Для решения задач рентгеноструктурного анализа используют дифрактометры. №21По микроструктуре доэвтектоидной углеродистой стали в равновесном (отожженном) состоянии можно определить содержание углерода следующим образом. Структура такой стали феррит и перлит. Содержание углерода в феррите из-за незначительности этой величины (0,006%) не учитывают и считают, что весь углерод находится в перлите. Известно, что перлит содержит 0,80% С; поэтому, если известно количество перлита в общей массе металла, то, поскольку плотности феррита и перлита близки, можно определить содержание углерода в стали умножением относительной площади (в процентах), занимаемой перлитом на просматриваемом поле шлифа, на 0,8. Правилом отрезков для заэвтектоидной стали пользуются реже ввиду трудности определения площади, занимаемой вторичным цементитом (см. рис. 29), и возможности допущения значительной погрешности. Определение содержания углерода по микроструктуре в углеродистой стали, находящейся в неравновесном состоянии (в частности, после закалки и отпуска), невозможно, так как ее структура не характеризуется диаграммой железо—углерод. Правило неприменимо также для легированной стали, поскольку ее фазовый состав и структура не определяются двойной диаграммой железо—углерод. №22С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость. Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием. В широко применяемой в металлических сварных конструкциях стали марки типа содержание углерода находится в пределах 0,14—0,22%. Углерод оказывает наибольшее влияние на свойства стали. При незначительной растворимости углерода почти весь он находится в стали в виде карбида, поэтому с увеличением содержания углерода повышаются временное сопротивление разрыву и предел текучести, и понижается пла-стичность стали. Углерод, увеличивая чувствительность стали к перегреву и к скорости охлаждения, повышает закаливаемость стали и, следовательно, отрицательно влияет на ее свариваемость. Особенно сказывается влияние углерода на свойствах кипящей стали, имеющей большую склонность к ликвации — с повышением содержания углерода в стали увеличивается его содержание в ликвационных зонах. В сварных конструкциях с увеличением содержания углерода в стали уменьшается пластичность и повышается хрупкость околошовной зоны. Поэтому в стали, применяемой для сварных конструкций, проектируемых с учетом перераспределения напряжений, рекомендуется ограничивать верхний предел содержания углерода. Углерод повышает также хладноломкость стали и чувствительность ее к старению. В стали с малым содержанием углерода наблюдается структурно свободный цементит, усили-вающий хрупкость. В углеродистых сталях с одинаковым временным сопротивлением разрыву, но разным отношением содержаний марганца и углерода (Мп С), при увеличении этого отношения от 2,5 до 11 критическая температура хрупкости снижается от 0° С до —25° С. Поэтому для сталей, применяемых при изготовлении металлоконструкций. В работе рекомендовано для снижения хладноломкости стали увеличить отношение Мп С, проводя одновременно раскисление стали алюминием и нормализацию проката. №23Чтобы облегчить изучение строения стали и чугуна, мы рассматривали их до сих пор как простые двойные сплавы железа с углеродом. Однако известно, что любая сталь и чугун имеют в своем составе в качестве неизбежных спутников кремний, марганец, фосфор и серу. У обычных сталей допускается следующее количество указанных примесей: кремния - до 0,4%, марганца - до 0,8%, фосфора - до 0,05%, серы - до 0,05%. Следует выяснить, как располагаются эти примеси в структуре стали и какое влияние они оказывают на ее свойства. Такие примеси, как марганец, кремний и фосфор, не образуют в структуре стали самостоятельных зерен, - они в основном растворяются в феррите. В кристаллической решетке феррита расположены, кроме атомов углерода, также и атомы кремния, марганца и фосфора. Следовательно, рассматривая структуру стали, мы этих примесей не увидим. Сера в железе почти не растворима, а в структуре стали она образует химические соединения - сернистое железо (FeS) или сернистый марганец (MnS). Сульфиды железа и марганца, а также соединения кислорода с металлом (FeO, МпО), находящиеся в структуре стали, называют неметаллическими включениями. Они наблюдаются под микроскопом на нетравленом полированном микрошлифе. Влияние примесей на свойства стали неодинаково. Наиболее серьезное влияние на свойства стали оказывает углерод. С увеличением содержания углерода твердость стали повышается, а относительное удлинение 5 и относительное сужение |/ понижаются. Предел прочности и предел упругости стали повышаются с увеличением содержания углерода до 0,8-0,9%. При дальнейшем увеличении содержания углерода в структуре стали появляется свободный цементит, который располагается по границам зерен перлита в виде сетки. Вследствие исключительной хрупкости цементита понижается не только пластичность стали, но и ее упругость и прочность. Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания углерода. Кремний и марганец в тех количествах, в каких они содержатся у обычной стали, не оказывают заметного влияния на ее свойства. Сера и фосфор - вредные примеси стали. При повышенном содержании фосфора в стали наблюдается явление хладноломкости, т. е. сталь делается хрупкой, особенно при низкой температуре (на морозе). Причина этого явления состоит в том, что атомы фосфора, располагаясь в решетке железа, сильно искажают ее, так как атомы фосфора резко отличаются от атомов железа. Кроме того, фосфор неравномерно распределяется в стали, скапливаясь на отдельных участках в значительном количестве. Такое неравномерное распределение примесей в данном объеме стали и в объеме каждого кристалла называется ликвацией. Вредное влияние фосфора особенно сильно проявляется в сталях с повышенным содержанием углерода, так как углерод уменьшает растворимость фосфора и стали. Вытесненный из твердого раствора фосфор располагается в виде хрупкой эвтектики по границам структурных составляющих, ослабляет сцепление между ними и способствует хрупкости стали. Повышенное содержание в стали серы вызывает явление красноломкости: в стали при обработке ее давлением при температурах 900 - 1200° образуются трещины. Причина этого заключается в том, что сернистое железо располагается по границам зерен железа в виде механической смеси, которая имеет температуру плавления 985°. При высоких температурах эта смесь расплавляется, вследствие чего уменьшается связь между зернами. Если сера находится в виде сернистого марганца, то она оказывает менее вредное влияние на свойства стали. Сернистый марганец имеет более высокую температуру плавления (1620°), поэтому он затвердевает раньше стали и располагается не по границам зерен, а обособленными участками. В отдельных случаях примеси серы и фосфора в стали играют положительную роль, так как способствуют хорошей обрабатываемости ее на станках. Поэтому у некоторых сталей допускается содержание серы до 0,3% и фосфора до 0,15%. Такие стали называются автоматными. Они используются для изготовления изделий на станках-автоматах. Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Сг и др.). К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот. Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критических точек диаграммы Fe - Fе3С. Характер влияния этих примесей на свойства сталей и сплавов определяется их возможностью образовывать самостоятельные фазы с основным компонентом, железом, а также местом возникновения этих фаз. №24В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака: равновесная структура; структура охлаждения на воздухе; химсостав; назначение. По равновесной структуре легированные стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные и, следоватнльно, ферритные, феррито – перлитные, перлитные, перлито-цементитные. В ледебуритных сталях присутствует эвтектика (ледебурит), которая характерна для чугунов. Стали, легированные сильными аустенизаторами (C, Mn, Ni, Co, Cu), имеют расширенную -область и относятся к аустенитному классу. Стали, легированные сильными ферритообразующими элементами, относятся к ферритному классу (Cr, Mo, W, Ti и др.) После нормализации (нагрев выше Асз и охлаждение на воздухе) легированные стали имеют следующие основные классы: ферритный, перлитный, мартенситный и аустенитный. Перлит может иметь структуру сорбита, тростита, бейнита в малолегированных сталях, мартенсита в легированных и аустенита (в высоколегированных). По химсоставу стали классифицируются в зависимости от легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и многие другие. Легированные стали могут быть низколегированные (до 3% легирующих элементов), среднелегированные (от 3 до 10%), высоколегированные (от 10 до 50%). Легированные стали, как и углеродистые, делятся по качеству в зависимости от содержания вредных примесей (S и P), газов (H, N, O), неметаллических включений, способа выплавки, мехсвойств. Стали обычного качества (общего назначения) содержат фосфора и серы ~ до 0,035 и 0,04 %; качественные до 0,025% каждого элемента, высококачественные (до 0,015% и до 0,025%) и особовысококачественные ( до 0,01% каждого элемента). По назначению стали классифицируются на: а) конструкционные; б) инструментальные; в) стали и сплавы с особыми свойствами. №25Эта сталь отличается от стали обыкновенного качества меньшим содержанием вредных примесей, суженными пределами содержания углерода, кремния и марганца. Сталь качественная конструкционная углеродистая поставляется в виде поковок и проката с последующей термической обработкой, обладает низкой прокаливаемостью и применяется в основном для производства сварных конструкций и деталей машин, подвергающихся действию механических нагрузок. №26Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержаниемуглерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно. Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку. К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А(в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца. Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость. №27Чугун — сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянныепримеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. №28Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, содержащий >2,1% С. Кроме углерода в чугуне обычно содержится (в %): до 4 Si; 2 Мп; 0,3 Р; 0,25 S, а также 0,1 Cr, Ni или Cu.Классификация чугунов в зависимости от состояния углерода в сплаве: белые, серые, ковкие, высокопрочные чугуны. В белом чугуне весь углерод находится в виде химического соединения с железом - цементита (Fе3С). Цементит обладает высокими твердостью (800 НВ) и хрупкостью, поэтому трудно поддается механической обработке. Из-за этого белые чугуны нашли ограниченное применение в качестве конструкционных материалов и служат в основном для получения ковких чугунов. При длительном обжиге белого чугуна цементит в нем распадается и углерод выделяется в свободное состояние. Серые чугуны в изломе имеют серебристый цвет из-за наличия в них пластинчатых включений графита. Они широко используются в литейном производстве и выпускаются в соответствии с ГОСТ 1412-85. Прочность серого чугуна с пластинчатым графитом при растяжении находится в пределах 120.. .440 МПа, твердость 140...290 НВ. Структура серых чугунов в зависимости от состава и условий охлаждения может быть с перлитной, перлитно-ферритной и ферритной основой. Наличие свободного графита в чугуне (до 50 % С) оказывает влияние на его свойства. Увеличение количества и размеров графитовых включений и неравномерность их распределения уменьшают прочность чугуна. Вместе с тем, свободный графит придает чугуну износостойкость, высокие литейные свойства, хорошую обрабатываемость режущим инструментом и высокую сопротивляемость при знакопеременных нагрузках. Все это обусловливает широкое применение серого чугуна в качестве конструкционного материала. Чугун, полученный из белого чугуна продолжительным отжигом при температуре 800...850oС, называют ковким. В отличие от серого чугуна в ковком углерод находится не в виде пластинчатого графита, а в виде хлопьевидного. Ковкий чугун по сравнению с серым чугуном обладает более высокой прочностью (300 ... 630 МПа), пластичностью и ударной вязкостью. Ковкий чугун имеет однородные свойства по сечению, в его отливках отсутствуют напряжения, ему при суши высокие механические свойства, он хорошо обрабатывается. В зависимости от режима термообработки основа ковкого чугуна может быть ферритной или перлитной. Состав основных элементов в ковком чугуне (в %): 2,3 ...3 С; 0,9 ... 16 Si; 0,3 ... 1,2 Мn; >0,15 Р и S. Основные характеристики ковких чугунов определены ГОСТ 1215-79. Ферритные чугуны отличаются более высокой пластичностью, а перлитные обеспечивают лучшую износостойкость. В промышленности получили распространение высокопрочные и легированные чугуны. Ввысокопрочном чугуне (ГОСТ 7293-85) углерод находится в виде шаровидного графита. Содержание основных элементов в таких чугунах составляет (в %): до 38 С; 2.9 Si; 0,9 Мn; 0,1 Сг; 0,02 S; 0,1 Р; 0,08 Mg. Чугуны с шаровидным графитом значительно превосходят по характеристикам серые чугуны. в частности по износо-, жаро- и коррозионной стойкости. №29В сером чугуне весь углерод или значительная его часть находятся в свободном состоянии в виде чешуек графита. В ковком чугуне углерод полностью или частично входит в состав хлопьевидных включений углерода отжига. Получается путем термической обработки белого чугуна. В высокопрочном чугуне углерод образует шаровидные включения графита. Таким образом, отличительной особенностью каждой группы чугунов является химическое состояние углерода (связан в цементит или свободен) и форма графитных включений. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержитуглерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью ипластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхностик объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Структура металлической основы чугунов с шаровидным (сфероидальным) графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, то есть, в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит (ферритный высокопрочный чугун), феррит + перлит + шаровидный графит (феррито-перлитный высокопрочный чугун), перлит + шаровидный графит (перлитный высокопрочный чугун). Наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами. Чугуны с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным и хлопьевидным графитом: ЧПГ, ЧШВ, ЧВГ, ЧХГ. Механические свойства чугунов. Антифрикционные и легированные чугуны. Графит в чугунах существует в следующих формах: - п л а с т и н ч а т ы й графит, в виде лепестков, прожилок; - в е р м и к у л я р н ы й (или мелкопластинчатый) графит, разновидность первого, при этом пластины похожи на нити; - ш а р о в и д н ы й (глобулярный) графит; - х л о п ь е в и д н ы й графит. Возможные формы графита в чугуне показаны на рис. 32. №31Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации [1, с. 8]. Фактором, обуславливающим получение серого чугуна при кристаллизации, т.е. способствующим графитизации – выделению углерода в равновесном состоянии, является прежде всего малая скорость охлаждения. Уменьшение по той или иной причине скорости охлаждения (изменение материала формы, увеличение толщины стенки отливки) способствует большей степени графитизации, т.е. выделение большей части углерода в форме графита. Степень графитизации определяет структуру металлической основы серого чугуна. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основами. №32Белый чугун — вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30 %) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, алегированного белого чугуна — из сложных карбидов и легированного феррита. №33Отбелённый чугун, половинчатый чугун - серый или высокопрочный чугун со структурой белого чугуна в периферийных частях отливки. Отбелённый чугун применяют в износостойких, прочных и термостойких отливках (лемехов плугов, ободей вагонных колёс, носиков коромысел клапанов и других отливок). Структуру белого чугуна получают увеличением скорости охлаждения отливки с помощью установленных в литейную форму металлических холодильников, окрашиванием литейной формы краской с карбидообразующими элементами, например, Te, расплавлением периферийных частей отливки с последующим быстрым охлаждением №34Половинчатый чугун Химический состав половинчатого чугуна представляет собой объединение таких компонентов, как перлит, ледебурит, пластинчатый графит. Углерод представлен в виде цементита. №35Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленном виде, т. е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки. Они могут представлять: а) неметаллические включения; б) мел¬-кие поры; в) структурные составляющие, характерные для некоторых сплавов (например, графит в сером чугуне). Неметаллические включения в стали и чугуне, вследствие их большой хрупкости, могут частично или полностью выкрошиться при шлифовании и полировании. Кроме того, неметаллические включения обладают меньшей отражающей способностью, чем металлы. По этим причинам участки оксидов, сульфидов и силикатов кажутся в поле зрения микроскопа темными. Количество и характер распределения неметаллических включений определяются сравнением вида наблюдаемой поверхности микрошлифа (обычно при увеличении в 100 раз) со специально разработанными шкалами включений. Природа включений при микроанализе может быть установлена: 1) специальным травлением, вызывающим растворение или окрашивание включений; 2) наблюдением шлифа в поляризованном или ультрафиолетовом свете. Микропоры, представляющие собой углубления в микрошлифе, также обнаруживаются в виде темных участков. Чтобы отличить микропоры от включений, шлиф слегка выводят из фокуса, поворачивая микрометрический винт микроскопа, и снова наводят на фокус; при этом края микропор, в отличие от неметаллических включений, то сходятся, то расходятся. №36 Наименование реактива Состав реактива (относительная плотность) Назначение и особенности применения Для травления углеродистых, низко- и среднелегированных сталей и чугуна Спиртовой раствор азотной кислоты (реактив Ржешотарского) Азотная кислота (1,42) 1–5 мл Этиловый или метиловый спирт 100 мл Реактивы окрашивают перлит в темный цвет, выявляют границы зерен феррита, структуру мартенсита и продуктов отпуска. Применяются также для выявления структуры азотированной и цементированной стали. С увеличением количества азотной кислоты возрастает скорость травления. Продолжительность травления — от неско-льких секунд до минуты Спиртовый раствор пикриновой кислоты (реактив Ижевского) Пикриновая кислота (кристаллическая) 4г Этиловый или метиловый спирт 100 мл №37Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм2). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12-28; СЧ15-32; СЧ18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24-44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм2, предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм2. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10. Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12; КЧ 30-6 с ферритной металлической основой и КЧ 45-6; КЧ 50-4 и КЧ 60-3, имеющие ферритно-перлитную основу. При данном составе структура чугуна в большей степени зависит от скорости охлаждения. При данном составе чугуна, например при постоянстве суммарного содержания углерода и кремния, а также других элементов, входящих в его состав, можно получить цементитный, а также перлитно-ферритный чугун. №38Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянныепримеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС -> Fe + ЗС с образованием феррита и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствии собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей). Присутствие эвтектики в структуре чугунов обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в промышленности. №39рафитизация, образование (выделение) графита в железных, никелевых, кобальтовых и др. металлических сплавах, в которых углерод содержится в виде нестойких химических соединений - карбидов. При повышенных температурах карбид полностью заменяется графитом. Скорость Графитизация увеличивается с повышением температуры. УскоряютГрафитизация предварительной закалкой, деформацией, облучением. Графитизация стали обычно ухудшает её механические свойства (снижает прочность и пластичность). Вместе с тем графит, обладая смазочными свойствами, повышает износоустойчивость изделий. Графитизация железных сплавов используют при получении изделий из ковкого чугуна и графитизированной подшипниковой и штамповой стали. Для ускорения Графитизация в сталь или чугун обычно вводят кремний или, реже, алюминий. Графитизация ряда сплавов (инструментальные режущие, пружинные, котельные и др. стали) снижает их эксплуатационные качества и является нежелательной. Графитизацияможно приостановить введением добавок (хрома, марганца и др.), увеличивающих устойчивость карбидов. Иногда подГрафитизация понимают образование графита в железоуглеродистых сплавах, не содержащих карбидов. Графит выделяется из пересыщенных углеродом сплавов при их затвердевании и последующем охлаждении. №40Кремний способствует процессу графитизации, действует в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния и, с другой, - скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Структурная диаграмма для чугунов, показывающая, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм, в зависимости от содержания в чугуне кремния и углерода показана на рис. 87 а. При данном содержании углерода, чем больше в чугуне количества кремния, тем полнее протекает процесс графитизации. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры №41 Включения графита оценивают по количеству, определяемому по площади, занятой графитом в поле зрения микроскопа, и характеру их распределения. Степень взаимной изолированности этих включений оказывает сильное влияние на свойства чугуна: чем больше изолированность включений графита, тем выше механические качества чугуна. №44Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si. Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна. Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна. Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%. Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2). В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных - шаровидную, а в ковких - хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов: Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав (см. табл. ниже) и скорость охлаждения отливки в форме. Химический элемент Серый чугун Высокопрочный чугун Ковкий чугун Углерод Повышенное содержание углерода приводит к уменьшению прочности, твердости и увеличению пластичности; углерод улучшает литейные свойства чугуна Увеличенное содержание углерода улучшает литейные свойства чугуна Углерод - основной регулятор механических свойств ковкого чугуна; чугун обладает низкой жидкотекучестью и требует высокого перегрева Кремний Кремний (с учетом содержания углерода) способствует выделению графита и снижает твердость, а также уменьшает усадку; повышенное содержание кремния снижает пластичность и несколько увеличивает твердость С повышением содержания кремния возрастает предел прочности при растяжении, при дальнейшем увеличении содержания - уменьшаются предел прочности при растяжении и относительное удлинение Для ферритного ковкового чугуна суммарное содержание кремния и углерода должно быть 3,7-4,1%. Содержание кремния зависит от количества углерода и толщины стенки. При содержании кремния до 1,5% механические свойства сплава повышаются Химический элемент Серый чугун Высокопрочный чугун Ковкий чугун Марганец Марганец тормозит выделение графита, способствует размельчению перлита и отбеливанию чугуна; взаимодействуя с серой, нейтрализует ее вредное действие. Механические свойства чугуна повышаются при содержании марганца до 0,7-1,3 %, а при дальнейшем увеличении - снижаются. Марганец увеличивает усадку сплава С повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0- 1,3% Марганец увеличивает количество связанного углерода, повышает прочность феррита. При повышении содержания марганца до 0,8-1,4% увеличивается количество перлита, прочность сплава повышается, но резко падает пластичность и ударная вязкость. В ферритном чугуне содержание марганца не должно превышать 0,6%, в перлитном - 1,0% Магний - Для образования графита шаровидной формы содержание магния должно быть не ниже 0,03%, а церия не ниже 0,02% (остаточное содержание). При более низком содержании не весь графит получает шаровидную форму; часть его содержится в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. При повышенном содержании магния (и церия) в структуре сплава образуется цементит и, следовательно, снижаются механические свойства. Оптимальное содержание остаточного магния - 0,04-0,08% - Химический элемент Серый чугун Высокопрочный чугун Ковкий чугун Сера Сера снижает прочность и пластичность, но несколько повышает износостойкость сплава, считается вредной примесью, придает чугуну красноломкость (образование трещин при высоких температурах), препятствует выделению графита Чем выше содержание серы в исходном чугуне, тем труднее получить полностью шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойства Содержание серы в ферритном ковком чугуне, модифицированном алюминием, может быть повышено до 0,2 %; при этом механические свойства возрастают за счет улучшения формы графита. Определяющее влияние на механические свойства чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы, которое должно быть в пределах 0,8-3,0 Фосфор Фосфор на процесс графитизации углерода влияет слабо, но повышает жидкотекучесть сплава, придает чугуну хладноломкость, т. е. хрупкость Фосфор оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%. Для получения чугуна с невысокой пластичностью содержание фосфора увеличивают до 0,12-0,15% Фосфор оказывает такое же, как для серого чугуна влияние на структуру и механические свойства сплава Химический элемент Серый чугун Высокопрочный чугун Ковкий чугун Никель Никель - легирующий элемент, благоприятно влияет на выравнивание механических свойств в отливках с различной толщиной стенок, повышает твердость на 10 НВ. С увеличением содержания никеля возрастает коррозионная стойкость и улучшается обрабатываемость сплава Никель влияет на тепло- и электропроводность, а также на коррозионную стойкость и жаростойкость сплава. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются Никель способствует графитизации углерода и увеличивает количество перлита в металлической основе сплава Хром Хром - карбидообразующий элемент. С увеличением хрома растет прочность и твердость отливок, замедляется процесс графитизации углерода С увеличением содержания хрома в определенных пределах повышается жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость сплава Хром замедляет процесс графитизации углерода. Содержание хрома в сплаве не превышает 0,06-0,08%; повышение содержания до 0,1 -0,12% приводит к образованию в структуре сплава стойких карбидов Химический элемент Серый чугун Высокопрочный чугун Ковкий чугун Молибден Молибден - легирующий элемент; замедляет процесс графитизации углерода и способствует карбидообразованию. С увеличением содержания молибдена повышается твердость без ухудшения обрабатываемости и возрастает сопротивление износу - Молибден способствует измельчению перлита и графитовых включений, увеличивает предел прочности на 3-7 кгс/мм2 при содержании молибдена 0,5%; замедляет процесс графитизации углерода Медь Медь способствует графитизации углерода, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость сплава При содержании в сплаве 1 % меди прочность при растяжении повышается до 40%, а текучесть - до 50 % и соответственно при 2% меди - до 65% и до 70%. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита Медь способствует графитизации углерода и увеличивает содержание в сплаве перлита №45Серые чугуны разделяют по структуре металлической основы и по размерам, форме и расположению графитных включений. Количество химически связанного углерода в серых чугунах не превышает 2%, поэтому их металлическая основа аналогична сталям доэвтектоидной, эвтектоид-ной или заэвтектоидной. По структуре металлической основы различают чугуны: на ферритной основе (феррит+графит); на фер-ритно-перлитной основе (феррит + перлит + графит); на перлитной основе (перлит+графит); на перлитно-це-ментнтной основе (перлит+цементит+графит). Следовательно, структура серых литейных чугунов представляет собой сталистую металлическую основу с рассеянными в ней графитными включениями. Микроструктура серых чугунов с различной металлической основой.По размерам, форме и расположению графита различают чугуны с крупными, средними и мелкими графитными включениями; с прямолинейными и завихренными включениями; с равномерным, гнездовым и эвтектическим расположением графита. №46 Обыкновенный серый чугун имеет высокие литейные свойства, хорошо обрабатывается, но вязкость его низкая; отливки из этого чугуна не выдерживают ударной нагрузки. Это связано с тем, что выделившийся в чугуне свободный углерод имеет форму пластинок, которые действуют на металлическую основу чугуна как надрезы (трещины). В настоящее время для получения высокопрочного чугуна применяют модифицирование — введение в жидкий расплав небольших количеств модификаторов — магния, кальция и др. Модифицированный серый чугун называют высокопрочным. Высокая прочность обеспечивается благодаря шаровидной форме графита, а не пластинчатой, как в сером чугуне. №47Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхностик объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Структура металлической основы чугунов с шаровидным (сфероидальным) графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, то есть, в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит (ферритный высокопрочный чугун), феррит + перлит + шаровидный графит (феррито-перлитный высокопрочный чугун), перлит + шаровидный графит (перлитный высокопрочный чугун). Наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами. №48Ковкий чугун — условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержитуглерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью ипластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, то есть входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит на первой стадии графитизации, которую проводят притемпературе выше критической (950—1000 °С); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путём выдержки при температуре ниже критической (740—720 °C), или при медленном охлаждении в интервале критических температур (760—720 °C). №49Классификация легирующих элементов Легирующие элементы по их влиянию на полиморфизм железа подразделяются на две группы: 1) легирующие элементы, расширяющие область устойчивости Y-модификации железа (группа никеля). К ним относятся никель, марганец, медь, кобальт и др. Часть диаграммы состояний сплавов железо — никель. Как видно из диаграммы, увеличение содержания никеля расширяет область устойчивости легированного аустенита и при значительном содержании никеля в сплаве легированный аустенит сохраняется до комнатных температур; 2) легирующие элементы, сужающие область устойчивости у-мо-дификации железа (группа хрома). Такими элементами являются хром, алюминий, молибден, вольфрам, ванадий, титан, кремний, бор, цирконий и др. Так, например, при большом содержании в стали хрома у-мо-дификация железа не образуется и при температурах ниже линии солидуса сталь состоит только из легированного феррита. По отношению к углероду легирующие элементы также подразделяются на группу никеля и группу хрома. Легирующие элементы группы никеля (Ni, Co, Cu, Si, N) в условиях получения стали не образуют с углеродом устойчивых карбидов. Легирующие элементы группы хрома (Ti, V, Mn, Zr, Nb, Mo, W) образуют с углеродом устойчивые карбиды, как простые, например Сг7Сз, так и сложные типа (FeCr)7C3. №51 Кроме известного разделения легированных сталей по их химическому составу и по способу выплавки (кислая и основная электросталь, основная и кислая мартеновская сталь), отметим классификации, основанные на следующих признаках: 1) по структуре (состоянию), получаемой при ускоренном охлаждении - на воздухе, т. е. после нормализации; 2) по структуре, получаемой при медленном охлаждении (в равновесном состоянии); 3) по назначению (применению). Классификация по структуре, получаемой при охлаждении на воздухе. Эта классификация основывается на увеличении закаливаемости сталей по мере повышения в них содержания легирующих элементов. Представим теперь, что образцы (одного и того же размера) сталей А, Б и В, нагретые до состояния аустенита, охлаждаются до атмосферной температуры на воздухе. Lg времени Это значит, что в стали будет образовываться сорбит или троостит закалки с пластинчатым строением цементита, подобно пластинчатому перлиту. Охлаждение стали Б с той же скоростью приведет к получению мартенсита, так как здесь кривая пересечет диаграмму изотермических превращений данной стали ниже линии М, т. е. в области мартенситного распада. Наконец, у стали В переохлажденный аустенит имеет наибольшую устойчивость и при атмосферной температуре не распадается совершенно, а мартенситная точка М у этой стали лежит ниже нормальной температуры. Другими словами, охлаждение на воздухе стали В приведет к получению устойчивого при атмосферной температуре аустенита. Таким образом, при одной и той же скорости охлаждения (на воздухе), по мере увеличения в составе стали легирующих элементов, могут быть получены различные структуры и состояния стали: при небольшом содержании легирующих элементов - перлитообразные структуры различной дисперсности (перлит, сорбит, троостит), при большем - мартенсит и, наконец, аустенит. С повышением в составе стали углерода содержание необходимого легирующего элемента для получения того или иного состояния и структуры может быть меньше, так как углерод также несколько способствует повышению устойчивости переохлажденного аустенита. На этих принципах и построена классификация стали по структуре, получаемой при охлаждении на воздухе, предложенная французским ученым Гийе. По этой классификации сталь разделяют на три основных класса: аустенитный, мартенситный и перлитный. Для определения принадлежности стали к тому или иному классу ее в виде образцов толщиной 15-20 мм нагревают до состояния аустенита и затем охлаждают на воздухе. Если испытуемая сталь приобретает структуру аустенита или мартенсита, ее соответственно относят к аустенитному или мар-тенситпому классу. К перлитному классу по этой классификации относят условно сталь, которая в результате охлаждения на воздухе испытывает любое диффузионное превращение аустенита, т. е. приобретает структуру перлита, сорбита или троостита-закалки. Гийе привел также диаграммы,, которые приблизительно показывают, при каких составах, т. е. количестве углерода и легирующих элементов, можно получать Здесь видно, что при наименьших добавках никеля и соответствующем содержании углерода сначала получаются стали перлитного класса, с дальнейшим повышением содержания никеля - стали мартенситного класса, а при наибольшем содержании никеля - аустенитного класса. Так как всегда возможны и такие состояния, когда наряду с мартенситом наблюдается аустенит или троостит (его мы относим к классу перлита), то могут существовать и стали промежуточных классов мартенсито-трооститных или мартенсито-аустенитных, отмеченных также на диаграмме промежуточными полями. Кроме трех указанных основных классов стали, характеризуемых по закаливаемости, т. е. структуре, получаемой при охлаждении на воздухе, Гийе установил еще четвертый так называемый карбидный класс для стали, легированной карбидообразующими элементами. Условным признаком его является уже не основная структура охлажденного образца, а присутствие значительного количества легированных карбидов, которые могут образоваться лишь при наличии в стали большого количества карбидообразующих элементов и углерода. Наконец, в легированной стали может содержаться значительное количество элементов, замыкающих область 7-твердых растворов (группа хрома, § 129). При пониженном содержании в стали углерода (углерод расширяет область 7) может оказаться, что в стали будут отсутствовать аллотропические превращения, и сталь при любых температурах до расплавления будет находиться в состоянии а, т. е. представлять легированный феррит. Такие стали составляют класс, называемый ферритным. Итак, легированную сталь по структуре и состоянию, получаемому при охлаждении на воздухе, делят на пять классов: перлитный, мартенсит-ный, аустенитный, ферритный, карбидный. Классификация легированных сталей по структуре, получаемой после медленного охлаждения (в равновесном состоянии). Этой классификацией предусматривается разделение на классы: доэвтектоидный, заэвтек-тоидный, ледебуритный и ферритный. Эта классификация подобна классификации нелегированной стали, которую, как известно, тоже разделяют на доэвтектоидную и заэвтектоидную в связи с содержанием углерода и структурой, получаемой в равновесном состоянии, соответственно диаграмме Fe-Fe3C. Границей, определяющей принадлежность стали к тому и другому классу, является содержание углерода в эвтектоиде (0,83%). При легировании стали, как известно, это количество углерода обычно снижается и, следовательно, граница между доэвтектоидным и заэв-тектоидным классами будет изменяться соответственно действию каждого добавляемого элемента. показывают границу между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями при добавках хрома (а) или вольфрама (б). По мере увеличения процента Сг или W эта граница непрерывно снижается, так что содержание углерода в эвтектоиде может доходить до 0,2% и ниже. Здесь же показана и другая линия , ограничивающая область заэвтектоидных сталей и представляющая смещение предельной точки насыщения аустенита (Е; см. фиг. 88) по мере увеличения количества W или Сг. Как известно, в простых сталях за этой точкой получаются уже белые чугуны, содержащие в структуре ледебурит. В легированных сталях при составах, находящихся за линией , в структуре тоже появляется ледебурит (легированный), почему класс таких сталей и называют ледебуритным. По структуре их следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но так как в них обычно бывает низкое, необычное для чугуна, содержание углерода (меньше 1,7%) и по свойствам они не («ответствуют хрупкому белому чугуну,то их условно называют сталями ледебуритного класса. Поскольку в ледебурите содержится значительное количество карбида, класс ледебуритных сталей, по другой рассмотренной выше классификации (Гийе) должен соответствовать карбидному классу. Четвертый -ф е р р и т н ы й- класс классификации по структуре в равновесном состоянии совершенно совпадает с таким же классом по классификации Гийе; область его также располагается в левом верхнем углу диаграммы, т. е. отвечает минимальному содержанию углерода при высоком количестве легирующего элемента, расширяющего область а-железа (феррита). В таких сплавах, независимо от скорости охлаждения, получается зернистая структура легированного феррита, не имеющего превращений в твердом состоянии. Классификация по назначению. Согласно этой классификации, основанной на применении стали в практике, различается: 1) конструкционная сталь (машииоподелочная и строительная), применяемая для изготовления деталей машин и механизмов, а также для различных металлических конструкций; 2) инструментальная сталь, применяемая для изготовления высококачественного режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов; 3) сталь с особыми физическими и химическими свойствами ив связи с этим имеющая особое специальное назначение в каждом отдельном случае. Сопоставляя эту классификацию с классификацией стали по Гийе, можно также отметите некоторую связь между ними. Конструкционная сталь, в подавляющем большинстве случаев, относится к перлитному классу; сталь с особыми свойствами - к аустенитному или ферритиому классу; инструментальная - чаще к карбидному классу и т. п. №52В соответствии с ГОСТом для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы: X — хром, Н — никель, Г — марганец, С — кремний, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, П — фосфор, Р — бор, Б — ниобий, А — азот (ставить в конце маркировки запрещается), Е — селен, Ц — цирконий. Для обозначения легированной стали той или иной марки применяют определенное сочетание цифр и букв. Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры указывают среднее массовое содержание углерода в сотых долях процента, если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первая цифра ноль, например 08, 05. Буквы в маркировке указывают наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами, — процентное массовое содержание этих элементов в стали. Если за какой-либо буквой отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %, кроме элементов, присутствующих в малых количествах (для комплексно-легированных сталей). Например, марка 35Х обозначает хромовую сталь с массовым содержанием С около 0,35 % и Сг до 1,5 %; 45Г2 — марганцевую сталь с массовым содержанием С около 0,45 % и Мп около 2 %; марка 38ХНЗМФА — сталь, содержащую 0,33-0,4 % С, 1,2-1,6 % Сг, 3,0-3,5 % Ni, 0,35-0,45 % Mo, 0,1-0,18 % V, а также 0,25-0,5 % Мп, не указанного по маркировке, букву А в конце маркировки используют для обозначения высококачественной стали. Для обозначения особовысококачественной стали в конце маркировки ставят букву Ш (через дефис), например, ЗОХГС-Ш. Для инструментальной легированной стали порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционных сталей, но содержание углерода указывается первой цифрой в десятых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около 1 % углерода. Некоторые стали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди цифр: А — автоматная, III — шарикоподшипниковая, Р — быстрорежущая, Е — магнитотвердая, Э — электротехническая, Св — сварочная, Нп — наплавочная и др. №54Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях. Твердый раствор углерода в a -железе называется ферритом. В феррите сохраняется кристаллическая решетка a -железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железуQPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 %, при комнатной температуре она равна 0,006%. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности s в~ 250 МПа; s т~ 120 МПа, относительное удлинение (d ) до 50 %, а поперечное сужение Y -до 80 %. До температуры 770 ° С феррит ферромагнитен, выше –парамагнитен. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в g -железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом. В аустените предел растворимости достигает 2,14 %. Твердость его равна 1700 – 2000 МПа, s в – 50 – 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи. №55Карбиды — соединения металлов и неметаллов с углеродом. Традиционно к карбидам относят соединения где углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент (таким образом из карбидов исключаются такие соединения углерода, как оксиды, галогениды и т.п.) Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества, не растворимы[источник не указан 1069 дней] ни в одном из известных растворителей. Карбиды бора и кремния (В4С и SiC), титана, вольфрама, циркония (TiC, WC и ZrC соответственно) обладают высокой твёрдостью, жаростойкостью, химической инертностью. Нитриды — соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiNx;Na3N;Ca3N2;Zn3N2; и т. д.) и с рядом неметаллов (NH3, BN, Si3N4). Соединения азота с металлами чаще всего являются тугоплавкими и устойчивыми при высоких температурах веществами, например, эльбор. Нитридные покрытия придают изделиям твёрдость, коррозионную стойкость; находят применение в энергетике, космической технике. Интерметаллид (интерметаллическое соединение) — химическое соединение из двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Очень часто интерметаллиды имеют более высокую температуру плавления, чем исходные металлы. Почти все интерметаллиды хрупки, так как связь между атомами в решётке становится ковалентной или ионной (например, в ауриде цезия CsAu), а не металлической. Некоторые из них имеют полупроводниковые свойства, причём, чем ближе к стехиометрии соотношение элементов, тем выше электрическое сопротивление. Никелид титана, известный под маркой «нитинол», обладает памятью формы - после закалки изделие может быть деформировано механически, но примет исходную форму при небольшом нагреве. Некоторые из металлов могут реагировать друг с другом очень активно. Например, реакция цинка и никеля при температурах выше 1000 °C носит взрывной характер.